Mit der Auslieferung erster Musterzellen seiner neuen SCiB-Nb-Batterie hat Toshiba einen wichtigen Schritt zur Markteinführung einer neuartigen Lithium-Ionen-Technologie vollzogen. Die japanischen Entwickler setzen dabei auf eine Anode aus Niob-Titanoxid (NTO) statt des heute üblichen Graphits. Die Batterie soll die Schnellladefähigkeit und Haltbarkeit von Lithiumtitanat-Zellen mit einer deutlich höheren Energiedichte verbinden und insbesondere für Nutzfahrzeuge, Busse sowie andere intensiv genutzte Elektrofahrzeuge interessant sein.
Alternative zu Graphit und LFP
Der Großteil der heute eingesetzten Lithium-Ionen-Batterien nutzt Graphit als Anodenmaterial. Das gilt sowohl für Batterien mit Nickel-Mangan-Kobalt-Kathoden (NMC) als auch für die inzwischen weit verbreiteten Lithium-Eisenphosphat-Akkus (LFP). Graphit bietet eine hohe Energiedichte, stößt jedoch bei sehr hohen Ladeleistungen an physikalische Grenzen.
Beim Schnellladen können sich unter bestimmten Bedingungen metallische Lithium-Ablagerungen auf der Anodenoberfläche bilden. Dieses sogenannte Lithium-Plating beschleunigt die Alterung der Zelle und erhöht langfristig das Risiko interner Kurzschlüsse. Genau hier setzt Toshibas neue SCiB-Nb-Technologie an. Durch den Einsatz von Niob-Titanoxid sollen solche Lithium-Ablagerungen praktisch komplett vermieden werden. Die Batterie kann dadurch auch bei häufigem Schnellladen ihre Leistungsfähigkeit über viele Jahre hinweg erhalten.
Zehn Minuten auf 80 Prozent
Eines der wichtigsten Merkmale der neuen Batterie ist ihre hohe Ladeleistung. Toshiba gibt für die SCiB-Nb-Zellen eine Schnellladefähigkeit von 5C an. In der Praxis bedeutet dies, dass sich die Batterie innerhalb von nur zehn Minuten auf 80 Prozent ihres Ladezustands bringen lässt. Noch bemerkenswerter erscheint die angegebene Lebensdauer. Selbst bei regelmäßigem Schnellladen soll die Batterie rund 15.000 Ladezyklen erreichen. Zum Vergleich: Moderne Elektroauto-Batterien auf Graphitbasis werden üblicherweise für etwa 1.500 bis 3.000 Vollzyklen ausgelegt, hochwertige LFP-Systeme erreichen teilweise 5.000 bis 8.000 Zyklen. In der Regel reicht diese Kennzahl für ein ganzes Autoleben.
Die SCiB-Nb-Technologie würde damit alleridings eine Lebensdauer ermöglichen, die insbesondere für Nutzfahrzeuge, Busse oder stationäre Speicher interessant ist. In solchen Anwendungen spielt die Haltbarkeit oft eine größere Rolle als die maximale Reichweite.
Energiedichte auf LFP-Niveau
Ein Nachteil früher Schnelllade-Batterien auf Basis von Lithiumtitanat (LTO) war bisher nämlich ihre vergleichsweise geringe Energiedichte. Toshiba vermarktet seit Jahren entsprechende SCiB-Zellen mit LTO-Anode, die vor allem durch ihre Robustheit bekannt sind. Die neue SCiB-Nb soll dieses Problem deutlich entschärfen. Laut Toshiba erreicht die NTO-Technologie eine volumetrische Energiedichte von 350 Wattstunden pro Liter und eine gravimetrische Energiedichte von 130 Wattstunden pro Kilogramm.
Damit bewegt sich die Technologie zwar weiterhin unter den Spitzenwerten moderner NMC-Batterien, erreicht aber ein Niveau, das mit vielen LFP-Batterien vergleichbar ist. Gleichzeitig bleiben die Vorteile der extrem schnellen Ladefähigkeit und der hohen Zyklenfestigkeit erhalten. Toshiba spricht von einer rund dreifach höheren volumetrischen Energiedichte gegenüber seinen bisherigen LTO-Zellen.
Erste Musterzellen werden ausgeliefert
Die nun ausgelieferten Musterzellen verfügen über folgende technische Eckdaten:
- Kapazität: 50 Ah
- Nennspannung: 2,3 Volt
- Maximale Leistungsabgabe: 1.000 Watt
- Maximale Leistungsaufnahme: 2.000 Watt
- Volumetrische Energiedichte: 350 Wh/l
- Gravimetrische Energiedichte: 130 Wh/kg
- Schnellladung: 80 Prozent in zehn Minuten
- Betriebstemperatur: -30 bis +60 Grad Celsius
- Gewicht: rund 860 Gramm
Fokus auf Busse und Nutzfahrzeuge
Toshiba sieht die größten Marktchancen zunächst im Bereich elektrischer Nutzfahrzeuge. Dort können kurze Ladezeiten erhebliche wirtschaftliche Vorteile bieten. Ein Stadtbus beispielsweise könnte während kurzer Haltezeiten an Endstationen nachgeladen werden. Dadurch ließe sich die benötigte Batteriekapazität reduzieren, was Gewicht und Kosten senkt. Gleichzeitig profitieren Flottenbetreiber von der hohen Lebensdauer der Batterien und den damit verbundenen niedrigeren Gesamtbetriebskosten.
Die Entwickler argumentieren, dass Fahrzeuge mit häufigen Zwischenladungen entlang ihrer Route auskommen könnten, ohne große und schwere Batteriepakete mitführen zu müssen. Die Technologie wurde bereits außerhalb des Labors getestet. Gemeinsam mit Volkswagen Truck & Bus Brasilien integrierte Toshiba die SCiB-Nb-Zellen in einen elektrischen Bus-Prototyp. Das Fahrzeug wird auf dem Werksgelände des brasilianischen Bergbauunternehmens CBMM in Araxá eingesetzt. Ziel des Demonstrators ist es, Daten zum realen Betriebsverhalten der Batterie zu sammeln. Volkswagen Truck & Bus Brasilien gilt als einer der Vorreiter bei elektrischen Nutzfahrzeugen in Südamerika und stellt damit eine wichtige Referenz für die neue Technologie dar.
Niob als strategischer Rohstoff
Eine Schlüsselrolle spielt dabei das Metall Niob. Weltweit stammen rund 90 Prozent der bekannten Niob-Reserven aus Brasilien. Das Land verfügt über geschätzte 16 Millionen Tonnen des Rohstoffs und besitzt damit nahezu eine monopolartige Stellung. Niob wird bislang vor allem als Legierungszusatz für hochfeste Stähle eingesetzt. Es verbessert Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Temperaturstabilität und findet Verwendung in Flugzeugtriebwerken, Pipelines, Windkraftanlagen und Fahrzeugkomponenten.
Mit der Entwicklung von Batterien auf Basis von Niob-Titanoxid könnte das Metall künftig auch für die Elektromobilität deutlich an Bedeutung gewinnen. Die Entwicklung der SCiB-Nb erfolgt in enger Zusammenarbeit mit dem brasilianischen Rohstoffkonzern CBMM sowie der japanischen Handelsgesellschaft Sojitz Corporation. CBMM gilt als weltweit größter Produzent von Niob und betreibt die wichtigsten Minen in Araxá. Sojitz wiederum ist Anteilseigner von CBMM und verantwortet den Aufbau internationaler Lieferketten für Niob-basierte Produkte. Die Zusammenarbeit begann bereits 2018. In den folgenden Jahren wurde die Kooperation auf Produktionsprozesse, Vertrieb und Marketing ausgeweitet. Inzwischen verfügen die Partner nach eigenen Angaben über ein stabiles Versorgungssystem für Niobtitanat und bereiten die industrielle Vermarktung der Technologie vor.
Chancen und Herausforderungen
Trotz der vielversprechenden Eigenschaften stehen Niob-Batterien noch am Anfang ihrer Entwicklung. Die Herstellungskosten liegen derzeit über denen konventioneller Lithium-Ionen-Zellen. Zudem muss erst gezeigt werden, wie wirtschaftlich sich die Technologie in großen Stückzahlen produzieren lässt. Ein weiterer Aspekt betrifft die Rohstoffversorgung. Die starke Konzentration der weltweiten Niob-Produktion auf Brasilien schafft neue geopolitische Abhängigkeiten. Gleichzeitig wird der Bergbau wegen möglicher Umweltbelastungen kritisch beobachtet.
Toshiba meint, dass die außergewöhnlich lange Lebensdauer der Batterien den höheren Materialeinsatz teilweise kompensieren könnte. Wenn ein Akku mehrere Fahrzeugleben überdauert, sinkt der Ressourcenbedarf pro gefahrenen Kilometer erheblich. Mit der SCiB-Nb verfolgt Toshiba einen anderen Ansatz als viele Wettbewerber, die vor allem auf immer höhere Energiedichten setzen. Statt maximaler Reichweite stehen ultraschnelles Laden, hohe Sicherheit und extreme Haltbarkeit im Mittelpunkt. Gerade im Nutzfahrzeugbereich könnten diese Eigenschaften wichtiger sein als einige zusätzliche Kilometer Reichweite. Sollte Toshiba die angekündigten Leistungsdaten auch im Serieneinsatz bestätigen können, könnte die Niob-Titanoxid-Technologie zu einer interessanten Alternative für Busse, Lkw, Baumaschinen, Züge und andere Hochleistungsanwendungen werden.
